Des excitons pour remodeler l’informatique quantique à température ambiante

Des chercheurs américains ont mis au point une nouvelle sorte de « fil » pour déplacer les excitons, qui pourrait permettre l’émergence d’une nouvelle catégorie de dispositifs, dont peut-être des ordinateurs quantiques à température ambiante. Cette découverte pourrait bousculer le monde de l’informatique et de l’électronique.

Une violation spectaculaire de la relation d’Einstein

En outre, l’équipe a observé une violation spectaculaire de la relation d’Einstein, utilisée pour décrire comment les particules se dispersent dans l’espace. Ils ont utilisé cette violation pour déplacer les excitons dans des paquets beaucoup plus petits qu’auparavant.

« La nature utilise les excitons dans la photosynthèse. Nous utilisons les excitons dans les écrans OLED, certaines LED et les cellules solaires », a déclaré Parag Deotare, co-auteur correspondant de l’étude, et professeur associé de génie électrique et informatique. « La capacité à déplacer les excitons où nous le souhaitons nous aidera à améliorer l’efficacité des dispositifs qui utilisent déjà les excitons et à l’étendre l’à l’informatique. »

Les excitons, des quasi-particules aux propriétés uniques

Un exciton peut être considéré comme une particule (d’où le terme de quasi-particule), mais il s’agit en réalité d’un électron lié à un espace vide chargé positivement dans le réseau du matériau (un «trou»). Comme un exciton n’a pas de charge électrique nette, les excitons en mouvement ne sont pas affectés par les capacitances parasites, une interaction électrique entre les composants voisins dans un dispositif qui provoque des pertes d’énergie.

Les excitons sont également faciles à convertir en lumière et vice versa, ouvrant ainsi la voie à des ordinateurs extrêmement rapides et efficaces qui utilisent une combinaison d’optique et d’excitons, plutôt que d’électronique.

« Cette combinaison pourrait aider à rendre possible l’informatique quantique à température ambiante », a précisé Mackillo Kira, co-auteur correspondant de l’étude supervisant la théorie, et professeur de génie électrique et informatique à l’Université du Michigan.

Les excitons peuvent coder l’information quantique, et ils peuvent la conserver plus longtemps que les électrons à l’intérieur d’un semi-conducteur. Mais ce temps est encore mesuré en picosecondes (10-12 secondes) au mieux, donc Kira et d’autres cherchent à utiliser des impulsions laser en femtosecondes (10-15 secondes) pour traiter l’information.

Le défi du déplacement des excitons

L’absence de charge nette rend également les excitons très difficiles à déplacer. Auparavant, Parag Deotare avait dirigé une étude qui poussait les excitons à travers des semi-conducteurs avec des ondes acoustiques. Maintenant, une structure pyramidale permet un transport plus précis pour un plus petit nombre d’excitons, confinés à une dimension comme un fil.

L’équipe a utilisé un laser pour créer un nuage d’excitons à un coin de la base de la pyramide, faisant rebondir les électrons hors de la bande de valence d’un semi-conducteur dans la bande de conduction. Mais les électrons chargés négativement sont toujours attirés par les trous chargés positivement laissés derrière eux dans la bande de valence.

Le semi-conducteur est une seule couche de semi-conducteur de diséléniure de tungstène, épaisse de seulement trois atomes, drapée sur la pyramide comme un tissu extensible. Et l’étirement du semi-conducteur change le paysage énergétique que les excitons expérimentent.

Une violation de la relation d’Einstein

Normalement, une équation formulée par Einstein est efficace pour décrire comment un ensemble de particules se diffuse vers l’extérieur et dérive. Cependant, le semi-conducteur était imparfait, et ces défauts agissaient comme des pièges qui attrapaient certains des excitons alors qu’ils essayaient de dériver.

Parce que les défauts du côté arrière du nuage d’excitons étaient comblés, ce côté de la distribution se diffusait vers l’extérieur comme prévu. Le bord avant, cependant, ne s’étendait pas aussi loin. La relation d’Einstein était dépassée de plus d’un facteur 10.

« Nous ne disons pas qu’Einstein avait tort, mais nous avons montré que dans des cas compliqués comme celui-ci, nous ne devrions pas utiliser sa relation pour prédire la mobilité des excitons à partir de la diffusion », a conclu Matthias Florian, coauteur de l’étude et chercheur en génie électrique et informatique.

En synthèse

En conclusion, cette nouvelle méthode de déplacement des excitons pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de dispositifs comme des ordinateurs quantiques à température ambiante. Des défis subsistent, notamment la difficulté de déplacer les excitons et la nécessité de développer des méthodes pour traiter l’information à des vitesses extrêmement élevées. Néanmoins, ces résultats sont prometteurs et pourraient avoir des implications significatives pour l’avenir de l’informatique et de l’électronique.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’un exciton ?

Un exciton est une quasi-particule constituée d’un électron lié à un espace vide chargé positivement dans le réseau d’un matériau (un «trou»). Les excitons n’ont pas de charge électrique nette et sont faciles à convertir en lumière et vice versa.

2. Comment les excitons sont-ils déplacés dans cette étude ?

Les chercheurs ont utilisé une structure pyramidale pour déplacer les excitons de manière plus précise et confinée à une dimension, comme un fil. Un laser a été utilisé pour créer un nuage d’excitons à un coin de la base de la pyramide.

3. Quelle est la relation entre les excitons et la relation d’Einstein ?

La relation d’Einstein est utilisée pour décrire comment les particules se dispersent dans l’espace. Cependant, dans cette étude, la relation d’Einstein était dépassée de plus d’un facteur 10 en raison des défauts du semi-conducteur, qui agissaient comme des pièges pour les excitons.

4. Comment les excitons pourraient-ils être utilisés dans les ordinateurs quantiques ?

Les excitons peuvent coder l’information quantique et la conserver plus longtemps que les électrons à l’intérieur d’un semi-conducteur. Ils pourraient être utilisés dans des ordinateurs extrêmement rapides et efficaces qui utilisent une combinaison d’optique et d’exciton, plutôt que d’électronique.

5. Quels sont les défis à surmonter pour utiliser les excitons ?

Les défis incluent la difficulté de déplacer les excitons, la nécessité de développer des méthodes pour traiter l’information à des vitesses extrêmement élevées et la compréhension de la violation de la relation d’Einstein dans des cas complexes.

Principaux enseignements

Références

Légende illustration principale : Image de microscopie à force atomique colorisée d’une pyramide de dioxyde de silicium recouverte d’une seule couche de diséléniure de tungstène. La ligne verte est un graphique de la distribution des excitons, et la flèche rouge montre leur trajectoire depuis le bas de la pyramide. Les couleurs de la surface et de la pyramide indiquent la hauteur à cet endroit. Crédit : Excitonics & Photonics Lab et Quantum Science Theory Lab, Université du Michigan.

Article: Enhanced Exciton-Drift Transport through Suppressed Diffusion in One-Dimensional Guides (DOI: 10.1021/acsnano.3c04870)

La structure pyramidale a été construite dans le Lurie Nanofabrication Facility.